超临界二氧化碳扇贝阻尼密封动力稳定性研究

为研究超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide,SCO2)扇贝阻尼密封在不同工况下动力稳定性,建立SCO2扇贝阻尼密封数值计算模型,分析进口压力、温度及转速对SCO2扇贝阻尼密封动力特性及泄漏特性的影响。结果表明：直接复合刚度随涡动频率增加由正变负;交叉复合刚度随进口温度、压力增加而减小,随转速增加而增大;SCO2扇贝阻尼密封的有效阻尼随进口温度、转速增加而减小,随进口压力增加而增大,进口压力为8.1 MPa时有效阻尼约为7.7 MPa时的1.7~2.9倍;扇贝阻尼密封直接复合刚度、有效阻尼整体上大于迷宫密封,稳定性高于迷宫密封,但泄漏量略高于迷宫密封。     

并列式扇贝阻尼密封动力特性影响因素研究

建立并列式扇贝阻尼密封三维数值分析模型,采用计算流体力学(CFD)方法,并基于动网格技术及多频椭圆涡动轨迹的密封动力特性求解方法研究进口压力、预旋比及转速对并列式扇贝阻尼密封动静特性的影响。结果表明:并列式扇贝阻尼密封的直接刚度随进口压力的减小、转速的增加而升高;在不同预旋比下,直接刚度均为负,不利于密封系统静态稳定。并列式扇贝阻尼密封有效阻尼随进口压力的增加、预旋比及转速的减小而增大,使密封系统更稳定;进口压力对有效阻尼影响较显著,进口压力p_(in)=0.505 MPa时的有效阻尼相较于p_(in)=0.303 MPa工况下最高提升了约83%。并列式扇贝阻尼密封的泄漏量随进口压力的减小而显著降低,预旋会降低密封泄漏量,转速对密封泄漏量影响较低。     

二氧化碳迷宫密封动力特性影响因素研究

以S-CO_2(supercritical carbon dioxide)为工质,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法建立迷宫密封全三维数值分析模型,应用基于微元轨迹的密封动力特性系数理论识别方法获取密封动力特性系数,研究以S-CO_2为工质的迷宫密封在不同密封腔室、间隙及齿数下的动力特性,并对比分析以空气为工质的密封系统稳定性。研究表明:密封直接复合刚度系数及平均直接阻尼系数频率依赖性较高,交叉复合刚度系数频率依赖性较低;密封有效阻尼系数在低频下(小于100 Hz)频率依赖性较强,并随密封间隙的减小而略微增大;在高频下(100 Hz以上),各腔室有效阻尼系数沿泄漏方向逐渐降低,且随齿数、密封间隙的增加而增大;10齿密封的有效阻尼系数约为4齿密封的128%～356%,0.16 mm间隙密封的有效阻尼系数约为0.32 mm间隙密封的80%～170%,与空气相比,以二氧化碳为工质的密封泄漏量较大,有效阻尼系数约为空气的167%～202%,系统稳定性增强。     

渐缩突扩式洞塞水力特性的数值模拟研究

为了深入了解新型渐缩突扩式洞塞泄洪洞的压强分布和消能率等水力特性,采用三维RNGκ-ε紊流数学模型对渐缩突扩洞塞段水流进行了数值模拟研究,分析了雷诺数、收缩比和相对长度对渐缩突扩洞塞的局部水头损失系数和最小压强系数的影响,并与顺直洞塞的对应水力参数进行对比。结果表明,渐缩突扩洞塞的局部水头损失系数和最小压强系数主要受收缩比和相对长度的影响,且收缩比的影响比相对长度显著。随着收缩比和相对长度的增大,局部水头损失系数和最小压强系数相应减小。与顺直洞塞相比,渐缩突扩洞塞的消能率较小,但具有更强的抵抗空蚀破坏的能力。     

孔型气体密封转子的动力特性研究

采用基于两控制客积Bulk Flow理论和可压缩理想气体模型开发的计算程序对孔型密封转子的动力特性进行了分析,计算了在不同进口预旋、密封间隙和孔深时孔型密封转子的动力特性系数,并将其与已有的实验数据进行了比较.结果表明:增大进口预旋会使有效刚度和有效阻尼减小,交叉刚度增大,对转子稳定性不利;过大或过小的密封间隙尺寸均对孔型密封的总体性能不利;孔型密封的有效刚度和穿越频率对孔深的变化不敏感,但有效阻尼随孔深的减小而显著增大.计算结果与实验值吻合良好.     

扇贝阻尼密封阻塞流动特性研究

为探明扇贝阻尼密封在不同阻塞状态下的静态稳定性,应用计算流体力学方法研究阻塞、非阻塞工况对扇贝阻尼密封静态刚度与气流力的影响规律。研究表明：阻塞工况下,不同错开角及中高长径比下密封气流力、静态刚度均随偏心率增加而降低,低长径比密封气流力在高偏心下较大;非阻塞工况下,不同错开角、长径比的密封气流力随偏心率增加而增大,高偏心率下静态刚度较小,非阻塞工况密封静态稳定性高于阻塞工况;由于进出口压差存在,使得扇贝阻尼密封马赫数在进出口两端增长较大,非阻塞状态进出口段马赫数变化幅度小于阻塞状态。     

贯通式袋型阻尼密封动力特性影响因素研究

采用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)方法建立了贯通式袋型阻尼密封(fully partitioned pocket damper seal,FPDS)三维数值模型,并研究密封齿数Nb、密封齿厚度b及主/副腔室长度比λ对密封动力与泄漏特性的影响。结果表明：FPDS有效阻尼Ceff与直接刚度K的频率依赖性较高,直接阻尼C与交叉刚度k的频率依赖性较低且随着涡动频率的增加而降低;有效阻尼Ceff随齿数、密封齿厚度的增加而增大,而主/副腔室长度比对Ceff影响相对较小,在研究工况范围内,Nb=12时Ceff最高,较原始模型平均提高约12.69%,密封齿厚度b=5.048 mm时有效阻尼Ceff为原始模型的111%~138%,当主/副腔室长度比λ=5.1时有效阻尼Ceff仅为原始模型95%~105%;FPDS泄漏量随密封齿数减小而急剧增加,且主/副腔室长度比λ存在最佳值(λ=1)使密封泄漏性能最优,而密封齿厚度对密封泄漏量影响较小。     

实际气体参数对迷宫密封静力与动力特性影响机理研究

理论分析了考虑实际气体参数的迷宫密封泄漏量计算公式与流动控制方程,基于转子多频椭圆涡动方法研究了不同气体介质对迷宫密封静力与动力特性的影响,揭示了实际气体参数对迷宫密封静力与动力特性影响的机理。结果表明:气体摩尔质量对迷宫密封的泄漏量呈正相关影响;在相同转子涡动频率下,随着气体摩尔质量的增大,主刚度系数、主阻尼系数和交叉阻尼系数的绝对值逐渐增大;密封气流力随着气体摩尔质量的增大而增大,CO2介质密封气流力是CH4介质密封气流力的1.63倍;随着转子涡动频率的增大,气体摩尔质量对有效阻尼系数的影响从惯性效应转移到摩阻效应,有效阻尼系数随着气体摩尔质量的增大在低频时增大、在高频时减小。     

贯通与间隔式逆滞流迷宫密封动力特性研究

提出贯通式与间隔式两种新型逆滞流迷宫密封结构,通过在密封齿上设计微型逆滞喷管,贯通相邻密封腔,利用自然压差产生逆向射流,产生滞止效应,抑制密封腔内周向流动。应用基于微元理论的密封动力特性系数识别方法研究两种逆滞喷管密封动力特性,并与传统迷宫密封进行对比。研究表明:逆滞流迷宫密封产生的反旋流对抑制密封腔内周向流动具有较好的效果;间隔式较贯通式逆滞流迷宫密封具有更高的稳定性,高涡动频率下有效阻尼可达原结构的200%;逆滞喷管的布置增加了原结构密封的泄漏量,但可通过调节周向逆滞喷管数量,满足机组对稳定性需求的同时具有相对较低的泄漏量。     

密封间隙内气体流动对气缸动力特性影响的试验研究

在密封试验台上进行了密封泄漏率与密封间隙内气体流动对气缸动力特性影响的试验,并开发了气缸频响函数测试系统.通过测试气缸脉冲激励下的振动响应,求出了不同转速、不同进气压力下的气缸传递函数,分析了充气前后气缸共振频率的变化,并应用对数衰减率法评估了系统阻尼特性.结果表明:充气前后气缸的共振频率变化很小,但会对系统阻尼造成较大影响;随着进气压力的提高,系统阻尼系数增大;随着转速的加快,系统阻尼系数减小.     

迷宫式汽封流体动力特性研究

建立了迷宫式汽封的全三维模型,采用CFD商业软件Fluent对不同工况下汽封的流场进行了计算分析,研究了转子所受的气流力与转速、进出口压力比及偏心率的关系,得到了影响转子稳定性的密封动力特性系数和涡动系数.结果表明:随着转速、进出口压力比和偏心率的增大,涡动系数也相应增大,转子的稳定性下降.     

自调逆滞流迷宫密封动力特性研究

为抑制密封腔内流体的周向流动和提高系统稳定性,提出一种自调逆滞流迷宫密封结构。通过在密封齿上设计微型逆滞喷管,连通相邻密封腔,利用相邻密封腔室压差产生逆向射流,对密封腔周向流动进行自调。采用基于微元理论的迷宫密封动力特性系数识别方法,研究了逆滞喷管布置位置、进口压力和转速对迷宫密封动力特性的影响,并与原迷宫密封进行对比。结果表明:在高涡动频率下自调逆滞流迷宫密封有效阻尼系数为原迷宫密封的170%;自调逆滞流迷宫密封的稳定性随转速和进口压力的提高而提高;在迷宫密封进口段布置逆滞喷管可有效提高系统稳定性;逆滞喷管的布置对泄漏量影响较小。     

迷宫密封转子动力学特性的数值模拟

采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,研究了具有16个齿的迷宫密封转子动力学特性,分析了在两种转速条件下进口预旋对迷宫密封转子动力特性系数的影响,计算了无进口预旋时,在两种压比条件下,迷宫密封系统的交叉刚度和直接阻尼系数随转速的变化关系,并将计算结果与实验值和两控制容积BF(Bulk Flow)方法计算值进行了比较.研究结果表明:所采用的数值方法能较好地预测迷宫密封的转子动力特性,且计算结果优于两控制容积BF方法.对于迷宫密封,交叉刚度与进口预旋近似成正比关系,且随着转速的增大而增大;直接阻尼对转速和进口预旋均不敏感,但随压比的增大而显著增大.过大的进口预旋和转速均会使转子的稳定性降低;工作在较大转速下的迷宫密封系统可以通过施加合理的进口预旋来增强转子的稳定性.     

透平机械阻尼密封技术及其转子动力特性研究进展

针对透平机械的气流激振问题所发展的阻尼密封技术的研究现状进行了综述.详细介绍了三种典型阻尼密封技术袋型阻尼密封、蜂窝阻尼密封和孔型阻尼密封的结构特点、动力学特性和阻尼机理及研究和应用现状.介绍了所开发的用于预测孔型阻尼密封转子动力特性的基于两控制容积Bulk Flow理论的模型和算法,并采用具有试验教据的孔型阻尼密封进行验证.最后对阻尼密封技术的设计、研发及在透平机械行业的应用前景进行了展望,以期对我国透平机械的密封系统的研发提供理论基础和技术参考.     

渐缩型混合室引射式低压加热器的特性分析

将常规引射式低压加热器的圆柱形混合室改为渐缩型混合室,研发了一种新的渐缩型混合室引射式低压加热器,通过理论计算分析了进口参数和喉部直径对该装置加热和升压性能的影响,并将出口水温与试验结果进行了比较.结果表明：在蒸汽压力不变时,增大入水压力,加热器出口温度下降,出口压力升高,并均呈减缓趋势;当入水参数不变时,增大蒸汽压力,加热器引射系数增大,出口温度升高,但蒸汽流量对出口压力影响不大;增大混合室喉部面积可以降低出口压力,有利于提高加热器变工况运行下加热性能和实际运行的稳定性.     

高低齿汽封与蜂窝汽封及孑L式阻尼汽封密封性能的比较

使用商用CFD软件Fluent对高低齿汽封、蜂窝汽封及孔式阻尼汽封进行了三维数值模拟,得到三种汽封在不同压比、轴转速和汽封相对间隙时的密封性能,并将高低齿汽封和蜂窝汽封计算值与试验数据进行了对比．结果表明：高低齿汽封流量系数随压比增大而增大,随转速加快而略有减小,随相对间隙的增大而减小;蜂窝汽封与孔式阻尼汽封的流量系数均随压比增大而减小,随转速加快而略有减小,基本呈直线变化规律,随相对间隙的增大而增大;在相同的条件下,蜂窝汽封的漏汽量比高低齿汽封的漏气量减少10％,而孔式阻尼汽封的漏汽量比蜂窝汽封漏汽量减少6％．     

新型汽封对汽轮机低压转子模态影响

针对某文献提出的新型轴端汽封,研究该汽封对汽轮机转子在运行状况下的稳定性产生的影响。改变密封副端面比压,模拟不同劲度系数的弹簧引起的轴向端面推力,再添加摩擦接触,最后对原转子以及施加了不同轴向推力的转子进行模态分析。利用数值仿真有限元软件ANSYS,计算得出3种情况的前6阶频率及其临界转速。结果显示:在转子轴端的圆盘处增加具有一定轴向端面比压的石墨环后,转子的阻尼频率和临界转速发生变化较小,说明新型汽封的使用对汽轮机不会产生破坏其运行稳定性的影响。这也为该汽封的运行特性及可靠性分析提供了理论基础。     

倾斜齿迷宫密封动力特性与减振机理研究

在建立倾斜齿迷宫密封三维数值模型的基础上,应用密封动力特性识别模型和数值计算方法,研究了倾斜齿迷宫密封动力特性和减振机理。结果表明：相比于直齿迷宫密封(Straightteeth labyrinth seal, STLBS),前倾齿迷宫密封(Forward inclined-tooth labyrinth seal, FILBS)泄漏量明显偏低,而后倾齿迷宫密封(Backward inclined-tooth labyrinth seal, BILBS)泄漏量明显偏高;3种迷宫密封动力特性系数关系为：FILBS>STLBS>BILBS,且BILBS动力特性系数对后倾角变化更敏感。随前倾角增大,存在最佳倾角范围(45°～60°)使得密封有效刚度几乎保持不变,有效阻尼最高;与STLBS相比,FILBS可增大转子表面负的切向力绝对值,使密封动力稳定性提升,而BILBS易导致密封稳定性下降。     

漂浮式海上风机平台阻尼结构设计与研究

  目的  为了寻求经济有效的漂浮式风机水动力性能提升方案，研究了加装垂荡板的设计方案，从而提升浮体水动力阻尼性能和减摇效果，最终改善漂浮式海上风电机输出功率的稳定性。  方法  以10 MW半潜型浮式风机为例，通过计算流体力学的方法，探讨了垂荡板结构不同设计参数对于提升漂浮式风机基础水动力阻尼的效用，寻找出优化设计方案。  结果  经过优化设计后的垂荡板结构垂荡阻尼较原结构增大14.9%，摇摆阻尼增大19.1%，而“梅花形”边缘垂荡板垂荡运动阻尼较原始模型提升36.98% 。  结论  揭示泄涡产生与垂荡板水动力阻尼改善的形成机理，创新性地提出“梅花形”垂荡板结构，有效改善浮体垂荡运动的阻尼性能，上述结论为此类漂浮式海上风机基础结构的研究与设计工作提供重要参考。     

防旋板对迷宫密封转子动力特性影响的研究

采用基于多频涡动模型、动网格技术和数值求解三维Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程的方法研究了进口防旋板对迷宫密封转子动力特性系数的影响。对比分析了无进口防旋板、传统进口防旋板、反旋流进口防旋板和流线型进口防旋板的迷宫密封在不同涡动频率下的转子动力特性系数。研究结果表明:进口防旋板结构可以有效抑制泄漏流体的周向流动,提高迷宫密封的有效阻尼。流线型进口防旋板能够有效地改变迷宫密封进口旋流的流动方向,提高有效阻尼的能力最佳。